基于预制轻钢轻混凝土复合外保温墙板的超低能耗建筑设计与应用

随着GB/T?51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的发布实施，超低能耗、近零能耗建筑逐渐成为推动建筑节能减排、提升建筑室内环境水平、调整建筑能源消费结构、促进建筑节能产业转型升级的重要抓手，也明确了建筑节能向高质量发展的方向。我国装配式建筑已进入快速发展阶段，发展装配式建筑已成为实现住宅产业化和建筑工业化的重要途径。

由于“工厂预制、现场拼装”的特性，导致装配式建筑存在节点连接稳固、板缝拼接密实、连接件分布合理等多个关键技术点。而超低能耗建筑的被动式设计策略，高效保温围护系统、极佳的气密性、无热桥设计是实现超低能耗建筑的关键。两种技术的结合存在多个技术难点。

本文探索研究装配式超低能耗技术，结合某项目的工程实践，阐述预制轻钢轻混凝土复合外保温墙板在超低能耗建筑中的关键技术应用。

1?工程概况

安新县征迁安置工作指挥办公室多功能厅（图1）位于河北省安新县大王镇，为临时性办公建筑。多功能厅为单层建筑，建筑面积54?㎡，平面设计为单一空间（图2）。

图1?多功能厅外观

图2?多功能厅平面

由于该多功能厅为临时性建筑，因此优先选用钢结构模块化结构体系，以便征迁安置工作结束后移除，基础采用地上混凝土满堂基础。多功能厅建筑体形系数为0.67，各朝向窗墙面积比分别为东向0.26，西向0.18，南向和北向均为0。

多功能厅暖通空调采用毛细管空调与新风系统，将毛细管埋置于地面砂浆层内，冬季通过毛细管将热量存储于地面混凝土层内，通过地面辐射和对流换热使室内温度上升。由于地面混凝土层是较大的蓄热体，该系统可使本建筑具有非常好的热稳定性。新风系统采用全热回收设备，机组分三档变频控制，新风由室内PM?2.5浓度和CO2浓度自动控制启停，即二者有一项超标即开启新风系统，至二者同时达标后关闭新风系统。

2?围护结构热工设计

根据GB/T?51350—2019《近零能耗建筑技术标 准》规定，寒冷地区超低能耗建筑屋面及外墙的传热系数应为0.1~0.3?W/（㎡·K）；地面传热系数应为0.25~ 0.4?W/（㎡·K）；门窗传热系数应≤1.5?W/（㎡·K），气密性不低于8级；建筑围护结构气密性应≤1.0 h–1。由于本建筑体形系数较大，因此按围护结构传热系 数≤0.13?W/（㎡·K），气密性≤0.6 h–1进行高标准节能设计。

2.1?地面

在满堂基础上方铺设地面保温层，采用三层挤塑聚苯板错缝铺设，保温板共厚260?mm，传热系数0.13?W/（㎡·K），保温层下铺防潮膜以隔绝地下潮气，建筑周边铺自粘防水卷材和钢丝网并上翻至墙面，以实现防水和防鼠功能。保温层上浇筑60?mm厚细石混凝土垫层，上铺瓷砖饰面。

2.2?外墙

本建筑外墙采用预制轻钢轻混凝土复合外保温墙体（图3），以轻钢龙骨及覆面板作为墙体结构，通过螺栓式断热桥保温锚栓将保温板锚固于墙体结构上，在轻钢龙骨的间隙浇筑轻质混凝土，形成可在工厂生产的预制保温结构一体化外墙部品。

（a）                      （b）

图3?预制轻钢轻混凝土复合外保温墙板

（a）EPS保温板；（b）岩棉保温板

预制轻钢轻混凝土复合外保温墙板基本构造如 图4所示。墙体构造层次为：① 石膏板；② 纤维增强水泥板；③ 轻质混凝土；④ 几字形轻钢次龙骨；⑤ 保温板；⑥ 外保温抹灰饰面；⑦ 螺栓式断热桥保温锚栓；⑧ C90冷弯薄壁型钢龙骨。

（a）

（b）

图4?预制轻钢轻混凝土复合外 保温墙板基本构造

（a）横剖面；（b）纵剖面

本项目预制墙体轻钢龙骨采用C?90镀锌冷弯薄壁型钢，镀锌钢带强度等级为Q?550，厚0.75?mm。

轻钢龙骨室外侧锚固几字形镀锌轻钢次龙骨，次龙骨间距600?mm，并通过螺栓连接式断热桥锚栓锚固180?mm厚聚氨酯保温板，在轻钢龙骨的空隙间浇筑A级防火轻质混凝土浆料形成预制墙体。室内侧以OSB结构板带为基层，锚固6?mm厚水泥板和10?mm厚石膏板。外墙聚氨酯板外侧施以20?mm厚胶粉聚苯颗粒浆料形成外墙保温厚抹灰系统。外墙总厚度（含内装修）为360?mm，传热系数为0.13?W/（㎡·K）。

2.3?外门窗

外门窗框采用纤维增强聚氨酯型材，该型材兼具低导热系数和高抗弯强度的优异性能，其外窗型材截面尺寸比塑钢窗和铝包木窗显著减小，在同等外窗尺寸条件下增大了透光部分的面积。玻璃为三玻双Low–e充氩气暖边构造，外门窗传热系数0.8?W/（㎡·K），气密性8级。

外门窗采用外挂方式安装，通过L型角码连接件将外窗外挂安装于墙体轻钢龙骨洞口外侧，并粘贴气密膜，以外保温压窗框20?mm厚。

2.4?屋面

屋面采用轻钢结构外保温技术体系，结构找坡坡度5%。轻钢屋架采用C90镀锌轻钢龙骨，在屋架上方满铺10?mm厚OSB板，其上满粘隔汽层，铺100?mm厚聚氨酯板和200?mm厚石墨聚苯板做外保温。保温层间采用发泡聚氨酯粘结，防水层为一道自粘防水卷材和一道板岩防水。屋面轻钢骨架下方吊挂6?mm厚纤维增强水泥板和10?mm厚石膏板。屋面传热系数为0.12?W/（㎡·K）。建筑围护结构各主要节点构造如图5所示。

图5?围护结构剖面

3?围护结构无热桥设计

在建筑围护结构中，保温隔热性能薄弱的区域称 为热桥，热桥区域的热流相对密集，传热系数高，成为热量流失的主要桥梁。超低/近零能耗建筑对热桥的控制目标为尽量做到无热桥，因此本工程进行了围护结构无热桥设计。

3.1?点状热桥控制

考虑到建筑围护结构中的点状热桥主要为固定保 温板的锚栓，为减少锚栓对保温系统的传热增加值，采用螺栓式断热桥保温锚栓。

螺栓式断热桥保温锚栓（图6）是用聚丙烯内嵌增强纤维材料筋FRP的塑包筋结构，可与国标螺母配套使用。锚栓由复合纤维材料筋提供抗剪切力，由聚丙烯螺纹与螺母提供抗拉拔力。经检测，断热桥锚栓的抗拉拔力≥1.0?kN，抗剪切力≥4.0?kN，且锚栓对保温系统的传热附加值极低，经计算单支锚栓对系统的传热增加值仅为0.0007?W/（㎡·K）。

图6?螺栓式断热桥保温锚栓

螺栓连接式断热桥保温锚栓以FRP材料替代传统锚栓内的金属螺钉，降低了导热系数，使其对保温系统传热增加值极低。将传统锚栓的膨胀式连接提升为螺栓式机械连接，操作快捷且可提高锚固强度。先锚固保温板、后浇轻混凝土的施工方式将传统后锚的隐蔽工程转变为露明工程，有利于保证锚固质量。

3.2?线性热桥控制

本项目围护结构线性热桥的主要部位在外墙与屋面、外墙与地面、门窗与外墙、外墙与外墙之间的交接部位。为减少围护结构的线性热桥，屋面、墙面、地面的转角部位均需保证外保温层的连续性，且转角处保温层厚度与主体保温层厚度一致，以降低各转角部位的线传热系数。

由于门窗洞口处的保温层较薄，门窗框与洞口交接处成为常见的线性热桥部位。解决外保温墙体的断热桥的方案是将外窗外挂在墙体保温层范围内，以降低门窗框与洞口交接处的线传热系数。

本项目采用金属角码将外窗外挂安装在轻钢龙骨上，为降低轻钢龙骨与外窗角码连接处的热桥，采用10?mm厚OSB板带外包轻钢龙骨进行断热桥处理。

3.3?结构性热桥控制

结构性热桥是由建筑结构带来的热桥部位，例如框架柱与基础的连接处、悬挑阳台板或空调板与主体结构的连接处等。这些部位因受结构力学和安全性限制，通常较难实现断热桥设计。

由于本项目为临时建筑，经结构计算，建筑自重及地面混凝土垫层的重量满足抵抗风荷载要求，因此钢结构框架与基础之间未进行结构锚固设计，而是采用200?mm厚的防腐方木作为钢结构与基础之间的断热桥结构支撑。

4?围护结构气密性设计

由于本建筑采用钢结构体系和预制墙板，故围护结构的预制部品和钢结构构件间的缝隙需采用干硬水泥砂浆捻缝，形成对构件缝隙间的防火封堵，并在此基础上进行气密性设计。

4.1?气密层材料选择

建筑外墙与屋面采用6?mm厚纤维增强水泥板做气密层，密度不小于1?400?kg/m3，作为轻钢轻混凝土结构的内面板和装修石膏板的基板，该板具有良好的气密性；室内地坪的细石混凝土垫层则可作为地面的气密层。

4.2?气密层连续性设计

为保证气密层的连续性，在确定围护结构气密性材料后，需对不同围护结构的气密层接缝处进行气密性处理。本项目采用防水隔汽膜做缝隙气密性材料，所有墙面、屋面的纤维增强水泥板及墙板水泥板与地面混凝土垫层的接缝处均粘贴防水隔汽膜，其宽度不小于100?mm，缝隙两侧采用满粘的方式且粘结宽度不小于50?mm。

4.3?特殊节点设计

外墙中穿线管和开关盒处的缝隙采用石膏粉填实，所有穿透纤维增强水泥板气密层的部位均用建筑胶封堵，并粘贴气密膜。

5?性能检测

本工程完成气密层施工后即进行了建筑围护结构气密性检测，检测结果表明，气密性n50＝0.43?h-1，满足超低能耗建筑标准n50＜0.6?h–1的要求。

课题组对该项目进行采暖季室内环境和建筑能耗监测。采暖监测期为2019年11月1日至2020年3月16日。监测期内，该项目除少数因停电影响空调设备使用外，室内温度均保持在22~25?℃之间，其中2020年最冷月1月4日~10日连续停电1周，室内温度依然保持在10 ℃以上。

采暖期暖通空调系统（新风及毛细管空调）总耗电量为1?041.75 kW·h，耗电量为19.29 kW·h/㎡，日均耗电量为7.6 kW·h/d。采暖期能耗指标为0.14 kW·h/（㎡·d）。显示了超低能耗建筑优异的节能效果。